Стенд для исследования гидродинамики входного цилиндрического коллектора теплообменника Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.039.523

СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ВХОДНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОЛЛЕКТОРА ТЕПЛООБМЕННИКА

© 2012 г. А.М. Гапоненко, М.Б. Щепакин, Е.Н. Даценко, А.Ю. Дубоносов

Кубанский государственный технологический Kuban State Technological

университет, г. Краснодар University, Krasnodar

Представлены схема конструкции и описание работы стенда для исследования гидродинамических характеристик входного цилиндрического коллектора теплообменника при изменении его геометрических параметров, сопротивления и неравномерности потока теплоносителя на входе, и некоторые результаты экспериментов. Получено, что неравномерность на выходе из опускного кольцевого канала пропорциональна неравномерности на входе в него, а увеличение гидравлических сопротивлений способствует уменьшению неравномерности на выходе.

Ключевые слова: теплообменник; цилиндрический коллектор; неравномерность потока; поле скоростей.

In the article the resistances and nonuniformities of a stream of the heat-carrier on an input, and some outcomes of experiments are represented the circuit of a construction and description of work of the stand for a research of hydrodynamic performances of a source cylindrical collector of the heat exchanger for want of modification it of geometric parameters. Is obtained, that the nonuniformity on withdrawal from опускного of the ring channel is proportional to nonuniformity on an input(entrance) in him, and the magnification of hydraulic resistances promotes a diminution of nonuniformity on an output.

Keywords: exchanger; cylindrical collector; uneven flow; velocity field.

Для надежной работы теплообменных устройств необходимо обеспечить равномерное распределение расхода теплоносителя на входе в теплообменник, что существенно зависит от гидродинамических характеристик элементов входных устройств, и прежде всего от формы и размеров напорных камер теплообменника, которые называют цилиндрическими коллекторами.

Существующие экспериментальные данные о гидродинамике цилиндрических коллекторов носят разрозненный характер [1 - 4], учитывают отдельные факторы, отсутствуют достаточно подробные исследования распределения полей скоростей теплоносителя на входе в теплообменник, что крайне важно для определения температурных режимов работы элементов теплообменника. Отсюда понятен интерес к экспериментальной информации по гидродинамике цилиндрических коллекторов, которая была бы справедливой в возможно более широком диапазоне геометрических и режимных параметров теплообменника. Такая информация может непосредственно использоваться в качестве справочного материала в процессе проектирования, а также может быть полезной для отработки математических моделей и расчетных методик.

Для этой цели был разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию стенд, реализующий легко перенастраиваемую аэродинамическую модель входного устройства теплообменника для исследований в широком диапазоне геометрических и режимных параметров.

Вход в исследуемую модель (рис. 1) представляет собой восемь патрубков, равномерно распределенных по окружности, переходящих в диффузоры 2.

Рис. 1. Схема базовой модели входной камеры: 1 - лопатки; 2 - диффузоры; 3, 14 - обечайки; 4 - проставочное кольцо; 5 - лопатки; 6, 10 - обечайки; 7, 9 - решетка; 8 - крышка; 11, 13 - фланцы; 12 - система измерения скорости потока на выходе из модели

В каждом из диффузоров расположены четыре лопатки 1, служащие для выравнивания потока. Лопатки имеют поперечные прорези, что позволяет закрепить их на основании модели и диффузора и, перемещая по длине прорези, менять распределение потока. Пройдя диффузоры, воздух поступает в зазоры между двумя обечайками 3 и 14 конфузорного сечения. Далее воздух поступает в кольцевой зазор, образованный двумя фланцами 11 и 13 и проставоч-ным кольцом 4. В этом зазоре по ходу воздуха расположены 48 лопаток 5, которые позволяют закручивать поток воздуха от 0 до 30°. Пройдя зазор с лопатками, воздух поступает в кольцевой зазор между обечайками 6 и 10, имитирующий опускную щель теплообменника. Величина зазора может изменяться путем изменения наружного диаметра обечайки 10. Далее воздух,

поворачивая на 90°, поступает в зазор между крышкой 8 и перфорированной решеткой 9, имитирующей входную напорную камеру. Величина зазора и форма камеры могут изменяться путем установки днищ различных конфигураций и кольцевых прокладок между крышкой 8 и обечайкой 6. Меняя перфорацию решетки 9, можно изменять величину затеснения на выходе из камеры. Пройдя решетку, воздух попадает в выравнивающую камеру - пространство между двумя решетками, а затем выбрасывается на пневмозонд.

Основные узлы модели являются разбираемыми и заменяемыми, что позволяет легко и быстро изменять геометрические характеристики исследуемых камер и других элементов гидравлического тракта. Так, например, для изменения параметров кольцевого зазора достаточно установить одну из смежных обечаек 10 с другим наружным диаметром. Если необходимо увеличить высоту камеры, то устанавливается обечайка нужной высоты. Для изменения формы днища достаточно снять крышку 8 и установить на её внутренней поверхности при помощи винта одно из днищ нужной конфигурации. Для изменения величины зазора между днищем и решеткой достаточно установить дополнительную прокладку между обечайкой 10 и днищем. Для создания максимального зазора вместо прокладок устанавливается проставочное кольцо необходимой высоты.

Конструктивное решение обечайки, на которой установлена перфорированная решетка 9, позволяет изменять не только величину затеснения на выходе из напорной камеры путем установки решетки с другой перфорацией, но и устанавливать дополнительные, выравнивающие поток решетки. Конструкция пневмо-зонда 12 обеспечивает фиксацию одновременно сорока значений давлений в потоке. Кольцо с импульсными иглами может поворачиваться (с шагом через 5°) на 90° в плоскости, перпендикулярной потоку, давая возможность получить не только мгновенное радиальное распределение скоростей потока, но и распределение их по окружности. Жесткая фиксация поворотного кольца обеспечивает необходимую точность измерения.

На стенде выполнен большой объем экспериментов. Некоторые результаты исследований показаны на рис. 2.

Данные получены для плоской напорной камеры с выходной решеткой, имеющей относительно небольшое гидравлическое сопротивление.

Конструкция стенда позволяет имитировать различные виды возмущений на входе в модель входного устройства и при этом изменять расход теплоносителя G через подводящие патрубки путем их плавного перекрытия и отключения от G до 1/8 G. Конструктивное исполнение модели входного устройства допускает переход от одних геометрических соотношений во всех трех составляющих её элементах к другим, а также вычленение необходимого элемента тракта входного устройства для индивидуального исследования. Гидравлический тракт для подвода воздуха в опускной кольцевой канал (рис. 3) был образован опорной плитой 1, обечайками 3 и 13, отверстиями фланца 11, кольцом 4 и фланцем 10. Модель опускного участка представляет собой две концентри-

ческие обечайки 6 и 9 высотой 200 мм. Обечайки крепятся на двух опорных фланцах 10 и 11, между которыми осуществляется подвод воздуха по восьми подводящим патрубкам, равномерно расположенным по окружности. Наружный диаметр внутренней обечайки 9 равняется 220 мм, внутренний диаметр наружной обечайки 6 - 232,6 мм.

1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

/ \

* ty ^ / / / Sx \\ ' \ \ ч\

& l / / У \ i D4 \ \ \

i / / f \ \\

// pU \

Di

-60 -40 -20 0 20 40 X, мм

а

1,50 1,25

1,00

0,75

0,50

0,25

0

\

/>/

/ / // а/

/ 'II v 1D4

/< П\ 4 I /xv Ds

D2

/ f iag= 0,2G D1

-60

20

40 X, мм

-40 -20 0 б

Рис. 2. Распределение относительной скорости на выходе из выходного устройства: а - при равномерном подводе воздуха; б - при асимметричном подводе воздуха: - - Д1;

Таким образом, величина кольцевого канала равняется 6,3 мм. На нижнем опорном фланце размещались разделительные перегородки (на рисунке не показаны), которые сохраняли автономность подвода воздуха от каждого патрубка вплоть до кольцевого канала. На торце обечайки 9 устанавливались сменные кольца 8, которые создавали гидравлическое сопротивление на выходе из кольцевого канала. Кольцевой зазор 5 при установке сменных колец равнялся 4 и 2,65 мм. В модель подавался воздух от воздуходувки производительностью G = 2500 м3/ч и давлением Р = 4000 Па. Скорость воздуха на выходе из канала

w/u

0

w/u

замерялась с помощью трубок Пито, установленных на корпусе обечайки 6. Причем, в начале кольцевого канала производился отбор статического давления с помощью датчика, установленного в отверстии корпуса обечайки 6. Выше, на одной линии с ним, располагалась трубка Пито, замерявшая полное давление потока.

§ 0

"Ч- -W

1 \

сЬ

0 200 И-!-►

1

13

7

10

1=1

12

11

2АР„

(pw2 )

. Величина |ТР определялась по спра-

вочной литературе [4].

Перед проведением экспериментов были определены числа Рейнольдса Re при равномерном расходе через все восемь патрубков на выходе из кольцевого канала со сменными кольцами и без них. Все замеры проводились при температуре воздуха t = 20 °С. Число Рейнольдса без сменных колец составило Re = 5 • 104, при зазоре 5 = 4 мм - Re = 4,1 •Ю4, при зазоре 5 = = 2,65 мм - Re = 3,2-Ш4.

На модели опускного кольцевого канала были проведены эксперименты с различными возмущениями на входе и разными гидравлическими сопротивлениями на выходе из него. Все исследования проводились при высоте канала Нк = 200 мм. На рис. 4 приведены распределения относительных скоростей по окружности канала при работе одного входного патрубка, двух противоположных и при азимутальной неравномерности распределения расхода на входе в канал, равной 20 %.

Рис. 3. Схема модели для исследования опускного участка: 1 - опорная плита; 2 - поток воздуха; 3, 13 - обечайки;

4 - кольцо; 5 - лопатки; 6, 9 - обечайки; 7 - винты; 8 - сменное кольцо; 10, 11 - фланец; 12 - поток воздуха;

0 - переменный диаметр

По разности полного и статического давлений определялось динамическое давление потока и, следовательно, его скорость. На верхнем торце обечайки 6 размещалась трубка Пито, замерявшая динамическое давление потока на выходе из кольцевого канала. Обечайка 6 вместе с закрепленными на ней датчиками давлений поворачивалась вокруг своей оси через 4,5°. Таким образом, всего по окружности кольцевого канала давление измерялось в 80 точках, т. е. по десять точек на каждый патрубок. Значения локальных скоростей относились к среднерасходной скорости Ж через кольцевой канал. При высоте обечаек Нк = 200 мм, коэффициент гидравлического сопротивления канала со сменными кольцами определялся как сумма потерь давления на местные сопротивления и трение в канале [4]: % = М + |ТР .

Значение %М определялось как отношение перепада полного давления на входе и выходе канала к динамическому напору на выходе из него, т. е.

w

w 1,6

1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

w 1,6

1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

w w 1,6

1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

225

270

315°

д

А k = 0,29 4

1 ; Re = 2,5 >3-10

J Г——■ /

1_* ■-

0 1 2 3 4 5 6 7 8

G

90

180

270 ф, град

0

1

0 M

k = 0,53 Re = 1,67-104

90

180

270 ф, град

Л 1 1 1 k = 0,91 Re = 1,21104

Л

\

J \

У

0 1 2 3 4 5 6 7 8

G

90

180 270 ф,град

Рис. 4. Распределение относительных скоростей на входе и выходе канала при работе: а - одного патрубка; б - двух противоположных патрубков; в - при смещении расхода на выходе на 20 % (см. также с. 58)

6

8

9

5

2

w

2

3

4

5

6

7

8

а

225

w 1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

w

w 1,4 1,2

1,0 0,8 0,6

w

w 1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

270

225°

G/2

G/2

ф,град

ф,град

3

2

9'

1 I I £ = 0,91 Re = 1,21-104

3

4

ötJJ

G/2

180

G/2

ф, град

б

5 X 180" 4 >

' 135"

w w 1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

w

w 1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

w

w 1,4

1,2

1,0 0,8 0,6

270 ф,град 0,2G 0,6G 0,2G

ф, град

0,2G

0,6G

0,2G

ф, град

0,2G

0,6G

0,2G

На рис. 5 приведены зависимости коэффициента K для режимов, изображенных на рис. 4 - 6.

К

0,3

0,2

0,1

1 / 3 У

/ 2N

0 0,2 0,4 0,6 0,8 £ Рис. 5. Значения коэффициента К в зависимости от числа работающих патрубков и сопротивления на выходе канала: 1 - работает один патрубок; 2 - два противолежащих патрубка; 3 - смещение расхода на 20 %

Рис. 4. Окончание

Результаты экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

1. Неравномерность на выходы из опускного канала пропорциональна неравномерности на входе в него.

2. Увеличение гидравлического сопротивления на выходе из канала способствует сглаживанию входной неравномерности к выходу из него.

3. Зависимость коэффициента неравномерности К от величины выходного сопротивления носит линейный характер для режимов, когда расход подается в канал через один патрубок и при азимутальной неравномерности распределения расхода на 20 %.

4. При £ = 0,9 разница в значениях Ктах и Ктт для всех режимов составляет 0,04, что дает основание предположить при £ > 1 - выходная неравномерность

w

1

5

0

в

для всех режимов будет одинакова и практически равна нулю.

Литература

1. Фомичев М.С., Березина Б.Ш., Емельянова А.Л. Исследование гидродинамической структуры потока в кольцевой полости на модели реактора корпусного типа с защит-

Поступила в редакцию

ным экраном // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Реакторостроение. 1976. Вып. 2. С. 68 - 89.

2. Решетов В.А., Смирнов В.П., Никулова Т.А. Гидравлика кругового раздаточного коллектора // Там же. С. 65 -74.

3. Быстров П.И., Михайлов В.С. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов. М., 1962. 379 с.

4. Олейник В.Н. Определение параметров потока в опускном кольцевом канале реактора // Атомная энергия. 1980. Вып. 5. С. 327 - 329.

28 ноября 2011 г.

Гапоненко Александр Макарович - д-р техн. наук, профессор, Кубанский государственный технологический университет.

Щепакин Михаил Борисович - д-р экономических наук, профессор, Кубанский государственный технологический университет.

Даценко Елена Николаевна - канд. техн. наук, старший преподаватель, кафедра «Нефтегазовый промысел», Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8 (861) 220-49-58. E-mail: [email protected]

Дубоносов Антон Юрьевич - аспирант, кафедра «Промышленная теплоэнергетика и тепловые электрические станции», Кубанский государственный технологический университет.

Gaponenko Aleksandr Makarovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Technological University.

Stchepakin Mikhail Borisovich - Doctor of Economy Sciences, professor, Kuban State Technological University.

Dacenko Elena Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, senior lector, department «Petroleumgas of a Craft», Kuban State Technological University. Ph. 8 (861) 220-49-58. E-mail: [email protected]

Dybonosov Anton Yurievich - post-graduate student, Kuban State Technological University.